(57)【要約】【課題】簡易な構成で、燃料電池表面の局所的な発電能力を測定することができる燃料電池局部発電性能測定装置および燃料電池局部発電性能測定方法を提供することにある。【解決手段】本発明の燃料電池局部発電性能測定装置１は、燃料電池の負極側の電極表面における複数の任意の点において電位を測定するセンサーユニット２と、センサーユニット２により測定された各点の電位から、前記電極表面の電位測定された各点で規定される測定範囲内の発電量を算出する信号処理手段とを備えている。センサーユニット２は、前記測定範囲内の前記電極表面の中心に点接触し、前記接触部位の電位を測定するための中心測定部材Ｐ５と、Ｐ５が前記電極表面に接触したときに、前記電極表面の、Ｐ５の接触点を交点として直交する２ｎ本の直線上に、前記交点を介して点接触し、前記接触部位の電位を測定するための一対の周辺測定部材Ｐ１、Ｐ３およびＰ２、Ｐ４とを含んでいる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極表面の発電量から前記燃料電池の発電性能を測定する燃料電池局部発電性能測定装置において、
前記燃料電池の負極側の電極表面における複数の任意の点において電位を測定する電位測定手段と、
前記電位測定手段により測定された各点の電位から、前記電極表面の電位測定された各点で規定される測定範囲内の発電量を算出する信号処理手段とを備え、
前記電位測定手段は、
前記測定範囲内の前記電極表面の中心に点接触し、前記接触部位の電位を測定するための中心測定部材と、
前記中心測定部材が前記電極表面に接触したときに、前記電極表面の、前記中心測定部材の接触点を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上に、前記交点を介して点接触し、前記接触部位の電位を測定するための一対の周辺測定部材とを含んでいることを特徴とする燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項２】
前記各周辺測定部材は、前記中心測定部材を中心とする円周上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項３】
前記電位測定手段は、燃料電池の負極側の電極表面に点接触する部分以外において、絶縁性部材により覆われていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項４】
前記電位測定手段は、１つの支持台に搭載されており、前記支持台は前記負極側の電極表面に対して離接自在であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項５】
前記信号処理手段は、前記中心測定部材により測定された電位に対する前記周辺測定部材により測定された電位の電位差を加算する加算部を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項６】
前記一対の周辺測定部材は、第１および第２の該周辺測定部材からなり、
前記信号処理手段は、
前記中心測定部材により測定された電位に対する前記一対の周辺測定部材の第１周辺測定部材により測定された電位の電位差である第１電位差を算出する第１算出部と、
前記一対の周辺測定部材の第２周辺測定部材により測定された電位に対する前記中心測定部材により測定された電位の電位差である第２電位差を算出する第２算出部と、
前記第２電位差に対する前記第１電位差の差分値を算出する第３算出部とから構成される電位算出部を２ｎ個と、
前記第３算出部で算出された全ての差分値を加算する加算部とを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項７】
前記中心測定部材と前記信号処理手段とを接続する接続配線を備え、
前記信号処理手段では、前記接続配線が分岐し、その一端が接地していることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項８】
前記中心測定部材と前記信号処理手段とを接続する接続配線を備え、
前記接続配線は分岐し、その一端が接地しており、
前記信号処理手段は、前記各周辺測定部材により測定されたそれぞれの電位を加算する加算部を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項９】
前記信号処理手段は、差動信号処理回路であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池局部発電性能測定装置。
【請求項１０】
燃料電池の負極側の電極表面における発電量を測定すべき所定の測定範囲内において、前記測定範囲の中心に位置する中心測定位置と、前記中心測定位置を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上にそれぞれ前記中心測定位置を介して位置する一対の周辺測定位置との電位が測定され、測定された前記各電位に基づいて前記測定範囲内における発電量を算出することを特徴とする燃料電池局部発電性能測定方法。
【請求項１１】
前記一対の周辺測定位置は、第１および第２の該周辺測定位置からなり、
前記中心測定位置における電位に対する前記一対の周辺測定位置の第１周辺測定位置における電位の電位差である第１電位差を算出し、前記一対の周辺測定位置の第２周辺測定位置における電位に対する前記中心測定位置における電位の電位差である第２電位差を算出し、前記第２電位差に対する前記第１電位差の差分値を算出することにより、第２ｎ対目までの前記差分値を算出し、第２ｎ対目までの前記差分値を加算することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池局部発電性能測定方法。
【請求項１２】
前記中心測定位置において測定された電位を０とすることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池局部発電性能測定方法。
【請求項１３】
前記中心測定位置において測定された電位を０とし、前記各周辺測定位置において測定された各電位を加算することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池局部発電性能測定方法。
【請求項１４】
測定された各電位は、差動信号処理されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池局部発電性能測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極表面において、局部的な発電性能を測定するための燃料電池局部発電性能測定装置および燃料電池局部発電性能測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とを電気化学反応させることにより電気を発生させるためのものであり、電解質と、前記電解質を挟んで両側に設けられた一対の電極とを有するセルから構成されている。前記一対の電極は、燃料極と、燃料極側セパレータと、空気極と、空気極側セパレータとから構成されている。前記電解質側から前記燃料極および前記燃料極側セパレータの順に設けられ、負極が構成されている。また、前記電解質側から前記空気極および前記空気極側セパレータの順に設けられ、正極が構成されている。そして、前記燃料極および前記燃料極側セパレータの間に、水素や炭化水素等の燃料ガスが供給される。また、前記空気極および前記空気極側セパレータの間に、酸素や空気等の酸化剤ガスが供給される。これより、前記電解質、前記燃料極および前記空気極の３相界面において電極反応が進行し電気が発生する。
【０００３】
燃料電池が効率的に発電を行うためには、セル全体で均一に電極反応が進行する必要がある。しかしながら、電解質中の水分量および電解質の劣化の程度または燃料ガス中の水素濃度や空気中の酸素濃度などが異なることにより、セル全体で反応が均一に進行しない場合がある。
【０００４】
そのため、セルの各部における電極反応の程度を把握することで、電解質や電極触媒などの構成部材の最適化または燃料ガスや酸化剤ガスの加湿量等の最適化を図ることが可能となる。また、セルの劣化原因や劣化の進行具合等も知ることができる。
【０００５】
燃料電池のセルの電極反応分布を簡便に得るための装置が特許文献１および特許文献２に記載されている。
【０００６】
特許文献１に記載された電極反応分布測定システムについて図１２を参照して説明する。図１２は従来の電極反応分布測定システム１０１の電極−電解質構造体の構成を示す断面図である。
【０００７】
従来の電極反応分布測定システム１０１の電極−電解質構造体は、電解質１０２と、燃料極１０３と、空気極１０４と、燃料極側集電体１０５と、空気極側集電体１０６とから構成されている。そして、燃料極側集電体１０５は、絶縁体による仕切り１０７により電気的に複数の領域に区分されている。そして、区分された燃料極側集電体１０５は、各区画に設けられた集電端子１０８を介して半田付け１０９によりリード線１１０と接続されている。リード線１１０は、図示しない電圧測定装置に接続されている。また、空気極側集電体１０６は、銅板を介して上記電圧測定装置に接続されている。
【０００８】
なお、電圧測定装置は、特許文献１では図示しないが、測定対象となる燃料電池の電極−電解質構造体に接続され、前記電極−電解質構造体の電流または端子間電圧を制御する１つの負荷装置と、前記電極−電解質構造体の複数の部分領域の各々における反応電流を測定する電流測定装置と、前記電極−電解質構造体の前記複数の部分領域の各々における電解質抵抗を測定する抵抗測定装置と、前記複数の部分領域のうちの同一の部分領域における反応電流と電解質抵抗との測定を同時に行うように電極反応分布測定システム１０１を制御する測定制御装置とを含む構成となっている。
【０００９】
また、特許文献２には、セパレータの表面電流を引き出す方法により、燃料電池の電流分布を測定するための測定装置および測定方法が記載されている。特許文献２に記載された燃料電池電流分布測定装置２０１について図１３を参照して説明する。図１３は、燃料電池電流分布測定装置２０１の燃料電池２０２およびプローブ２０３を示す断面図である。
【００１０】
図１３は従来の燃料電池電流分布測定装置２０１の燃料電池２０２およびプローブピン２０３を示す断面図である。
【００１１】
燃料電池電流分布測定装置２０１の燃料電池２０２は、電解質２０４と、燃料極２０５と、空気極２０６と、燃料極側セパレータ２０７と、空気極側セパレータ２０８とから構成されている。そして、燃料極側セパレータ２０７の外側表面の非区画領域に複数のプローブピン２０３が接触自在に接触され、各プローブピン２０３に流れる電流を図示しない電流測定部により測定する。これにより、燃料電池の電流分布測定を容易に行うことができる。
【特許文献１】特開２００３−７７５１５号公報（公開日平成１５年３月１４日）
【特許文献２】特願２００５−３０２４９８号公報（公開日平成１７年１０月２７日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
燃料電池の構造設計や発電性能の評価などにおいては、燃料電池の発電量分布または燃料電池の各部位における局部的な発電性能のデータが必要である。しかしながら、上述した特許文献１に記載された電極反応分布測定システム１０１および特許文献２に記載された燃料電池電流分布測定装置２０１の構成では、燃料電池の負極側の電極表面全体において測定を行っている。
【００１３】
燃料電池の負極側の表面全体において測定を行うためには、電極反応分布測定システム１０１における電極−電解質構造体のように、燃料極側集電体１０５を、絶縁体による仕切り１０７により複数の領域に区分する必要があり、操作の煩雑化や装置の複雑化によりコストが高くなる。
【００１４】
また、電極反応分布測定システム１０１および燃料電池電流分布測定装置２０１を用いて、燃料電池の局部測定を行ったとしても、燃料極は導電体であるために、セル全体の発電量をその点から引き出してしまう。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、燃料電池表面の局所的な発電能力を測定することができる燃料電池局部発電性能測定装置および燃料電池局部発電性能測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の燃料電池局部発電性能測定装置は、上記課題を解決するために、燃料電池の電極表面の発電量から前記燃料電池の発電性能を測定する燃料電池局部発電性能測定装置において、前記燃料電池の負極側の電極表面における複数の任意の点において電位を測定する電位測定手段と、前記電位測定手段により測定された各点の電位から、前記電極表面の電位測定された各点で規定される測定範囲内の発電量を算出する信号処理手段とを備え、前記電位測定手段は、前記測定範囲内の前記電極表面の中心に点接触し、前記接触部位の電位を測定するための中心測定部材と、前記中心測定部材が前記電極表面に接触したときに、前記電極表面の、前記中心測定部材の接触点を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上に、前記交点を介して点接触し、前記接触部位の電位を測定するための一対の周辺測定部材とを含んでいることを特徴としている。
【００１７】
燃料電池の負極側の電極表面において、任意の局部的な測定範囲における発電量は、前記電極表面の測定範囲内に流れ込む電流と、前記測定範囲内から流れ出す電流とを算出することにより求められる。したがって、前記電極表面において、前記測定範囲の中心と、前記中心を交点として直交する直線上にそれぞれ前記測定範囲の中心を介した位置とにおいて電位を測定することにより、前記測定原理に基づいて、前記測定範囲内の発電量を求めることができる。
【００１８】
上記構成により、燃料電池の負極側の電極表面における前記測定範囲内において、前記電位測定手段に含まれる、前記測定範囲内の前記電極表面の中心に点接触し、前記接触部位の電位を測定するための中心測定部材と、前記中心測定部材が前記電極表面に接触したときに、前記電極表面の、前記中心測定部材の接触点を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上に、上記交点を介して点接触し、前記接触部位の電位を測定するための一対の周辺測定部材とは、前記負極側の電極表面と点接触している位置の電位を測定することができる。そして、前記信号処理手段において、前記電位測定手段により測定された電位から、前記測定範囲内の発電量を算出する。
【００１９】
前記測定範囲内の発電量は、発電量を求める測定原理に基づいて、前記信号処理手段により算出される。すなわち、前記中心測定部材により測定された電位と、前記周辺測定部材により測定された電位との電位差に基づき、燃料電池の負極側の電極表面における前記測定範囲内に流れ込む電流と、前記測定範囲内から流れ出す電流とを計算することができる。これにより、前記測定範囲内の発電量が算出される。
【００２０】
このような構成を用いることで、燃料電池の発電量を測定するために、燃料電池自体に特別な構成を設ける必要がなく、装置の製造が容易になり、コストも削減することができる。そして、燃料電池の負極側の電極表面に前記測定部材を接触させる簡易な構成によって、任意の前記測定範囲内の局部的な発電量を測定することが可能である。
【００２１】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記各周辺測定部材は、前記中心測定部材を中心とする円周上に配置されていてもよい。
【００２２】
上記構成により、前記中心測定部材と前記各周辺測定部材との間の距離を等しくすることができる。そのため、前記測定範囲内の発電量を算出するための計算式を簡略化することができ、前記信号処理回路を簡易な構成にすることができる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記電位測定手段は、燃料電池の負極側の電極表面に点接触する部分以外において、絶縁性部材により覆われていてもよい。
【００２４】
上記構成により、前記電位測定手段が受ける外部からのノイズの影響を抑制することができ、より正確な前記測定範囲の発電量を測定することができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記電位測定手段は、１つの支持台に搭載されており、前記支持台は前記負極側の電極表面に対して離接自在であってもよい。
【００２６】
上記構成により、１つの支持台に搭載された前記電位測定手段は、前記電極表面に対して離接自在なために、前記電極表面に固定させる必要がなく、容易に装置を製造することができる。また、前記電位測定手段を前記電極表面の他の場所へ移動させることができるために、１つの燃料電池局部発電性能測定装置を用いて、燃料電池の負極側の電極表面における任意の場所において、発電量を測定することが可能になる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記信号処理手段は、前記中心測定部材により測定された電位に対する前記周辺測定部材により測定された電位の電位差を加算する加算部を備えていてもよい。
【００２８】
上記構成は、前記測定範囲内の発電量の測定原理に基づいて構成されており、前記中心測定部材により測定された電位に対する前記各周辺測定部材により測定された電位の電位差を加算することにより、前記測定範囲内の発電量が算出される。
【００２９】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記一対の周辺測定部材は、第１および第２の該周辺測定部材からなり、前記信号処理手段は、前記中心測定部材により測定された電位に対する前記一対の周辺測定部材の第１周辺測定部材により測定された電位の電位差である第１電位差を算出する第１算出部と、前記一対の周辺測定部材の第２周辺測定部材により測定された電位に対する前記中心測定部材により測定された電位の電位差である第２電位差を算出する第２算出部と、前記第２電位差に対する前記第１電位差の差分値を算出する第３算出部とから構成される電位算出部を２ｎ個と、前記第３算出部により算出された全ての差分値を加算する加算部とを備えていてもよい。
【００３０】
上記構成により、前記測定範囲内の発電量の測定原理から求められた方程式に基づき、前記測定範囲内における燃料電池の発電量を算出することができる。すなわち、前記中心測定部材により測定された電位と、前記周辺測定部材により測定された電位との電位差に基づき、燃料電池の負極側の電極表面における前記測定範囲内に流れ込む電流と、前記測定範囲内から流れ出す電流とを計算することができる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記中心測定部材と前記信号処理手段とを接続する接続配線を備え、前記信号処理手段では、前記接続配線が分岐し、その一端が接地していてもよい。
【００３２】
本発明では、前記測定範囲の正確な発電量を調べる必要がない場合は、燃料電池の負極側の電極表面の各部位における発電電力の相対量を調べることができればよい。そのため、本発明では、前記中心測定部材と前記信号処理手段とを接続する前記接続配線を分岐し、その一端を接地させることにより、前記中心測定部材に測定された電位を０としている。これにより、前記各周辺測定部材の前記中心測定部材に対する電位の相対値を計算することができる。
【００３３】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記中心測定部材と前記信号処理手段とを接続する接続配線を備え、前記接続配線は分岐し、その一端が接地しており、前記信号処理手段は、前記各周辺測定部材により測定されたそれぞれの電位を加算する加算部を備えていてもよい。
【００３４】
上記構成により、前記中心測定部材と前記信号処理手段とを接続する前記接続配線を分岐し、その一端を接地させることにより、前記中心測定部材に測定された電位を０としている。本発明に用いられた前記測定範囲内の発電量の測定原理より、前記中心測定部材により測定された電位を０とすることにより、前記信号処理手段を簡略化することができる。前記信号処理手段を簡略化することにより、前記周辺測定部材により測定された電位をそれぞれ加算することにより、前記測定範囲内の発電量を求めることができる。上記構成により、より簡易な回路により前記測定範囲内の発電量を算出することができる。
【００３５】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定装置では、前記信号処理手段は、差動信号処理回路であってもよい。
【００３６】
上記構成により、前記電位測定手段により測定された電位は、前記差動信号処理回路により差動信号処理される。これにより、外部からのノイズの影響を抑制することができ、より正確な前記測定範囲の発電量を測定することができる。
【００３７】
本発明の燃料電池局部発電性能測定方法は、燃料電池の負極側の電極表面における発電量を測定すべき所定の測定範囲内において、前記測定範囲の中心に位置する中心測定位置と、前記中心測定位置を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上にそれぞれ前記中心測定位置を介して位置する周辺測定位置との電位が測定され、測定された前記各電位に基づいて前記測定範囲内における発電量を算出することを特徴としている。
【００３８】
上記方法により、燃料電池の負極側の電極表面における前記測定範囲内において、前記測定範囲内の中心に位置する中心測定位置と、前記中心測定位置を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上にそれぞれ前記中心測定位置を介して位置する周辺測定位置との電位が測定される。そして、測定された前記各電位に基づいて、前記測定範囲内の発電量を算出する。
【００３９】
前記測定範囲内の発電量は、発電量を求める測定原理に基づいて算出される。すなわち、前記中心測定位置により測定された電位と、前記周辺測定位置により測定された電位との電位差に基づき、燃料電池の負極側の電極表面の前記測定範囲内に流れ込む電流と、前記測定範囲内から流れ出す電流とを計算することができる。これにより、前記測定範囲内の発電量が算出される。
【００４０】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定方法では、前記一対の周辺測定位置は、第１および第２の該周辺測定位置からなり、前記中心測定位置における電位に対する前記一対の周辺測定位置の第１周辺測定位置における電位の電位差である第１電位差を算出し、前記一対の周辺測定位置の第２周辺測定位置における電位に対する前記中心測定位置における電位の電位差である第２電位差を算出し、前記第２電位差に対する前記第１電位差の差分値を算出することにより、第２ｎ対目までの前記差分値を算出し、第２ｎ対目までの前記差分値を加算してもよい。
【００４１】
上記方法により、前記測定範囲内の発電量の測定原理から求められた方程式に基づき、前記測定範囲内における燃料電池の発電量を算出することができる。すなわち、前記中心測定位置における電位と、前記周辺測定位置における電位との電位差に基づき、燃料電池の負極側の電極表面における前記測定範囲内に流れ込む電流と、前記測定範囲内から流れ出す電流とを計算することができる。
【００４２】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定方法では、前記中心測定位置において測定された電位を０としてもよい。
【００４３】
本発明では、前記測定範囲の正確な発電量を調べる必要がない場合は、燃料電池の負極側の電極表面の各部位における発電電力の相対量を調べることができればよい。そのため、本発明では、前記中心測定位置において測定された電位を０としている。これにより、前記各周辺測定位置において測定された電位の前記中心測定位置において測定された電位に対する相対値を計算することができる。その結果、燃料電池の負極側の電極表面の各部位における比較を容易にすることが可能になる。
【００４４】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定方法では、前記中心測定位置において測定された電位を０とし、前記各周辺測定位置において測定された各電位を加算してもよい。
【００４５】
前記中心測定部材により測定された電位を０とすることにより、本発明に用いられる発電量の測定原理より、前記各周辺測定位置により測定された電位を加算することにより、前記測定範囲内の発電量を求めることができる。上記方法により、より簡易に前記測定範囲内の発電量を算出することができる。
【００４６】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定方法では、測定された各電位は、差動信号処理されてもよい。
【００４７】
上記方法により、前記中心測定位置および前記周辺測定位置において測定された各電位は、差動信号処理される。これにより、外部からのノイズの影響を抑制することができ、より正確な前記測定範囲の発電量を測定することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の燃料電池局部発電性能測定装置は、以上のように、燃料電池の負極側の電極表面における複数の任意の点において電位を測定する電位測定手段と、前記電位測定手段により測定された各点の電位から、前記電極表面の電位測定された各点で規定される測定範囲内の発電量を算出する信号処理手段とを備え、前記電位測定手段は、前記測定範囲内の前記電極表面の中心に点接触し、前記接触部位の電位を測定するための中心測定部材と、前記中心測定部材が前記電極表面に接触したときに、前記電極表面の、前記中心測定部材の接触点を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上に、前記交点を介して点接触し、前記接触部位の電位を測定するための一対の周辺測定部材とを含んでいることを特徴としている。
【００４９】
また、本発明の燃料電池局部発電性能測定方法は、燃料電池の負極側の電極表面における発電量を測定すべき所定の測定範囲内において、前記測定範囲の中心に位置する中心測定位置と、前記中心測定部材を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上にそれぞれ前記中心測定位置を介して位置する周辺測定位置との電位が測定され、測定された前記各電位に基づいて前記測定範囲内における発電量を算出することを特徴としている。
【００５０】
上記構成により、燃料電池の負極側の電極表面における前記測定範囲内において、前記電位測定手段に含まれる、前記測定範囲内の前記電極表面の中心に点接触し、前記接触部位の電位を測定するための中心測定部材と、前記中心測定部材が前記電極表面に接触したときに、前記電極表面の、前記中心測定部材の接触点を交点として直交する２ｎ（ｎは１以上の整数）本の直線上に、上記交点を介して点接触し、前記接触部位の電位を測定するための一対の周辺測定部材とは、前記負極側の電極表面と点接触している位置の電位を測定することができる。そして、前記信号処理手段において、前記電位測定手段により測定された電位から、前記測定範囲内の発電量を算出する。
【００５１】
前記測定範囲内の発電量は、発電量を求める測定原理に基づいて、前記信号処理手段により算出される。すなわち、前記中心測定部材により測定された電位と、前記周辺測定部材により測定された電位との電位差に基づき、燃料電池の負極側の電極表面における前記測定範囲内に流れ込む電流と、前記測定範囲内から流れ出す電流とを計算することができる。これにより、前記測定範囲内の発電量が算出される。
【００５２】
このように、簡易な構成で、燃料電池表面の局所的な発電能力を測定することができる燃料電池局部発電性能測定装置および燃料電池局部発電性能測定方法を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
本発明の一実施形態について図１〜図１１に基づいて説明すると以下の通りである。
【００５４】
本発明の燃料電池局部発電性能測定装置は、電解質と前記電解質を挟んで両側に設けられた一対の電極を有する燃料電池の負極側の電極表面において、局部的な発電量を測定するためのものである。
【００５５】
〔第１実施形態〕
本実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置１の構成について図１〜７を参照して説明する。図１は本発明における燃料電池局部発電性能測定装置１の実施の一形態を示すものであり、全体概要を示す斜視図である。
【００５６】
本実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置１は、図１に示すように、センサーユニット２と、リード線（接続配線）３と、センサー信号処理ボックス（信号処理手段）４とから構成されている。そして、燃料電池局部発電性能測定装置１のセンサーユニット２は、燃料電池の構成要素である矩形の底面を有した直方体のセル５の上面に設置されている。燃料電池は、セル５と、上面集電板６と、下面集電板７と、スイッチ８と、負荷９とにより構成されている。また、パーソナルコンピューター１０がセンサー信号処理ボックス４に接続されている。
【００５７】
以下に燃料電池の構成について図２を参照して説明する。図２はセル５を分解した構成を示す斜視図である。セル５は、矩形の底面を有した直方体の形状をしており、水素と酸素とを電気化学反応させることにより電気を発生させる燃料電池の発電単位である。セル５は、電解質１１と、その両端に設けられた燃料極１２および空気極１３の一対の電極と、その外側に設けられた導電性の燃料極側セパレータ１４および空気極側セパレータ１５とから構成されている。
【００５８】
燃料極側セパレータ１４の燃料極１２に面している面および空気極側セパレータ１５の空気極１３に面している側の面には、凹凸が設けられている。これにより、燃料極１２と燃料極側セパレータおよび空気極１３と空気極側セパレータ１５とを接触させたとき、前記凹凸に燃料ガスおよび酸化剤ガスを導入することができる。燃料極１２側に水素や炭化水素等の燃料ガスを、空気極１３側に酸素や空気等の酸化剤ガスを供給することにより、電解質１１、燃料極１２および空気極１３の界面において電極反応が生じ、燃料極１２側から電子が遊離する。
【００５９】
燃料極１２と、燃料極側セパレータ１４と、上面集電板６とが負の電極を構成しており、空気極１３と、空気極側セパレータ１５と、下面集電板７とが正の電極を構成している。そのため、上面集電板６と下面集電板７との間を、スイッチ８および負荷９が設けられた配線で接続することにより、燃料極１２側から遊離した電子が流れ、電気が発生する。
【００６０】
センサーユニット２は、図３に示すように、円柱状をしており、セル５上面における電位を測定するためのものである。図３（ａ）は本実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置１に係るセンサーユニット２の概略構成を示す断面図であり、図３（ｂ）はセンサーユニット２の測定プローブ１８の配置を示した模式図である。
【００６１】
センサーユニット２は、底面が絶縁性を有した絶縁リング１７に、上面および側面が絶縁性を有したシールドキャップ１６により構成されている。センサーユニット２の内部には、その底面および上面の間に、底面と平行な絶縁性を有した絶縁板２０が設けられている。そして、絶縁板２０の底面から、絶縁リング１７に向かって垂直に、棒状の測定プローブ（測定部材）１８が５つ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５）設けられている。測定プローブ１８は、セル５の上面に接触し電位を測定するための測定端子と、リード線３と接続され前記測定端子により測定された電位をセンサー信号処理ボックス４に出力する出力端子とを備えている。前記測定端子は絶縁リング１７を貫通しており、前記出力端子は絶縁板２０を貫通している。そして、前記出力端子は絶縁板２０近傍においてリード線３と接続され、リード線３はシールドキャップ１６の上面に設けられた穴を介してセンサー信号処理ボックス４と接続されている。また、測定プローブ１８の外周面は、絶縁リング１７と絶縁板２０との間において、プローブ用絶縁体（絶縁性部材）１９により覆われている。
【００６２】
このように、測定プローブ１８および測定プローブ１８とリード線３との接続点近傍のリード線３は、測定プローブ１８がセル５の上面に接触する部分以外において、シールドキャップ１６および絶縁リング１７により囲まれている。これにより、外部からのノイズの影響を抑制することができ、より正確に電位を測定することができる。
【００６３】
次に、５つの測定プローブ１８の配置について図３（ｂ）を参照して説明する。センサーユニット２の上面方向から測定プローブ１８の配置を見た場合、Ｐ５（中心測定部材）がセンサーユニット２の円の中心に配置され、Ｐ１とＰ３およびＰ２とＰ４（周辺測定部材）の２対は、Ｐ５に対して点対称に配置されている。そして、Ｐ５を交点とする直角に交わる直線上にＰ１とＰ３およびＰ２とＰ４がそれぞれ設けられている。そして、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、Ｐ５から距離ｄ離れて配置されている。本実施形態では、センサーユニット２の測定範囲とは、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４により囲まれた範囲のことを示す。
【００６４】
なお、距離ｄの値は、理論上では小さいほどに測定範囲内の発電量の測定精度が高くなる。しかしながら、センサー信号処理ボックス４に設けられた信号処理回路の電圧分解能（Ｓ／Ｎ比）に限界があるために、信号処理回路の精度に応じて距離ｄを決定する。また、後述するが、距離ｄには燃料極側セパレータ１４の厚みも関係しており、例えば、燃料極側セパレータ１４の厚みが１〜２ｍｍの場合には、距離ｄの値は４〜６ｍｍであることが好ましい。
【００６５】
また、本実施形態では、Ｐ５とＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４との間の距離は距離ｄであるが、本発明はこれに限られず、それぞれ異なる距離を有していてもよい。
【００６６】
リード線３は、センサーユニット２の測定プローブ１８の出力端子から出力された信号を、センサー信号処理ボックス４へと伝達するためのものである。
【００６７】
センサー信号処理ボックス４は、センサーユニット２の各測定プローブ１８により測定された電位から測定範囲内の発電量を算出するためのものであり、信号処理回路を備えている。センサー信号処理ボックス４の信号処理回路は、図４に示すように、差動信号処理回路であり、オペアンプＡ１〜Ａ７および抵抗Ｒ１〜Ｒ３により構成されている。図４は、センサー信号処理ボックス４内に設けられた信号処理回路の回路図である。以下に、信号処理回路について図４を参照して説明する。なお、オペアンプＡ１〜Ａ７は、低オフセットＯＰアンプであり、差動入力形式である。通常、オペアンプＡ１〜Ａ７のゲインは１に設定されているが、測定プローブ１８からの信号が弱い場合にはオペアンプＡ１〜Ａ４のゲインを約５０にまで設定することが可能である。
【００６８】
オペアンプＡ１は、測定プローブ１８のＰ１およびＰ５の間の電位差を計算するためのものであり、非反転入力端子に測定プローブ１８のＰ１からのリード線３が接続され、反転入力端子にＰ５からのリード線３が接続される。オペアンプＡ２は、測定プローブ１８のＰ５およびＰ３の間の電位差を計算するためのものであり、非反転入力端子に測定プローブ１８のＰ５からのリード線３が接続され、反転入力端子にＰ３からのリード線３が接続される。オペアンプＡ３は、測定プローブ１８のＰ２およびＰ５の間の電位差を計算するためのものであり、非反転入力端子に測定プローブ１８のＰ２からのリード線３が接続され、反転入力端子にＰ５からのリード線３が接続される。オペアンプＡ４は、測定プローブ１８のＰ５およびＰ４の間の電位差を計算するためのものであり、非反転入力端子に測定プローブ１８のＰ５からのリード線３が接続され、反転入力端子にＰ４からのリード線３が接続される。なお、オペアンプＡ１およびオペアンプＡ３の反転入力端子ならびにオペアンプＡ２およびオペアンプＡ４の非反転入力端子に接続された測定プローブ１８のＰ５からのリード線３は、接地されている。
【００６９】
また、オペアンプＡ５は、オペアンプＡ１により算出された電位差とオペアンプＡ２により算出された電位差の差を計算するためのものである。オペアンプＡ５は、非反転入力端子にオペアンプＡ１の出力端子からの配線が接続され、反転入力端子にオペアンプＡ２の出力端子からの配線が接続される。また、オペアンプＡ６は、オペアンプＡ３により算出された電位差とオペアンプＡ４により算出された電位差の差を計算するためのものである。オペアンプＡ６は、非反転入力端子にオペアンプＡ３の出力端子からの配線が接続され、反転入力端子にオペアンプＡ４の出力端子からの配線が接続される。
【００７０】
オペアンプＡ５およびオペアンプＡ６の出力端子からの配線は、それぞれ抵抗Ｒ１の一端と接続され、抵抗Ｒ１の他端に接続された配線は互いに合流している。オペアンプＡ７は、反復増幅器となっており、合流した前記各配線は、２方向に分かれ、一方がオペアンプＡ７の反転入力端子に接続され、他方が抵抗Ｒ２の一端に接続されている。そして、オペアンプＡ７の非反転入力端子は、接地されている。また、一方の前記配線が接続された抵抗Ｒ２の他端からの配線は、オペアンプＡ７の出力端子からの配線と接続された後、抵抗Ｒ３の一端と接続されており、抵抗Ｒ３の他端は接地されている。そして、抵抗Ｒ３からの配線は、パーソナルコンピューター１０へと接続されている。
【００７１】
上述した信号処理回路は、測定範囲内において発電量を算出するための測定原理に基づいて設計されている。測定範囲内の発電量は、測定原理に基づき、セル５の燃料極側セパレータ１４における測定範囲内に流れ込む電流と、測定範囲内から流れ出す電流とにより求められる。前記測定原理について、図５を参照して説明する。図５は燃料電池の発電量を算出するため測定原理を示した模式図である。測定プローブ１８のＰ１〜Ｐ５において測定された電位を、ＶＰ１〜ＶＰ５とする。図中に示された立方体は、各測定プローブ１８間を一辺とする、セル５の燃料極側セパレータ１４を示す。
【００７２】
測定範囲内における発電量は、電流連続性原理により下記の方程式により求められる。
【００７３】
【数１】
2007265674.tif 000003
【００７４】
そのため、上記方程式の差分形式は下記の方程式となる。
【００７５】
【数２】
2007265674.tif 000004
【００７６】
燃料電池の燃料極側セパレータ１４の測定範囲におけるＸ方向およびＹ方向からの電流密度は、Jｘ１、Jｘ２、Jｙ１、Jｙ２である。Jｘ１およびJｙ１は前記測定範囲内に流れ込む電流密度で、Jｘ２およびJｙ２は前記測定範囲内から流れ出す電流密度である。また、各測定プローブＰ１〜Ｐ４とＰ５との距離はｄであり、燃料極側セパレータ１４の厚みはｈであるため、立方体の体積はｄ×ｄ×ｈとなる。そのため、燃料極側セパレータ１４の測定範囲において、Ｘ方向およびＹ方向から流れ込む電流IＸ１およびIＹ１と、Ｘ方向およびＹ方向から流れ出す電流IＸ２およびIＹ２とは下記の方程式により求められる。
【００７７】
【数３】
2007265674.tif 000005
【００７８】
なお、ｐは燃料極側セパレータ１４の比抵抗であり、ｈは定数と考えられるため、ｐが変化しないと仮定した場合、電位差ＶＰ１〜ＶＰ５と発電量Iｚとの関係はｋという定数で表示できる。
【００７９】
この結果、前記測定範囲内における発電量Iｚ＝ｋ×（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４−４×ＶＰ５）となる。
【００８０】
次に、本実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置１を用いて燃料電池の負極側における発電量を測定するための燃料電池局部発電性能測定方法について説明する。
【００８１】
まず、燃料電池のスイッチ８をオンにすることにより、上面集電板６から下面集電板７へと電流が流れる。そして、燃料電池のセル５の上面における任意の位置に対し、センサーユニット２を絶縁リング１７の面を向けて設置する。これにより、センサーユニット２に設けられた５つの測定プローブ１８がセル５の上面に点接触し、それぞれの接触位置における電位を測定する。センサーユニット２に設けられた５つの測定プローブ１８（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５）で測定された電位は、それぞれＶＰ１、ＶＰ２、ＶＰ３、ＶＰ４、ＶＰ５と記載する。各測定プローブ１８により測定された電位は、各測定プローブ１８の出力端子に接続されたリード線３を介して、センサー信号処理ボックス４に設けられた信号処理回路のオペアンプＡ１〜Ａ４の反転入力端子または非反転入力端子に出力される。
【００８２】
ここで、各測定プローブ１８から出力された電位信号に基づいて、センサー信号処理ボックス４に設けられた信号処理回路が行う処理について述べる。
【００８３】
オペアンプＡ１では、非反転入力端子に測定プローブＰ１において測定されたＶＰ１が入力され、反転入力端子に測定プローブＰ５において測定されたＶＰ５が入力される。そして、オペアンプＡ１の出力端子からは、ＶＰ１−ＶＰ５が出力される。
【００８４】
オペアンプＡ２では、非反転入力端子に測定プローブＰ５において測定されたＶＰ５が入力され、反転入力端子に測定プローブＰ３において測定されたＶＰ３が入力される。そして、オペアンプＡ２の出力端子からは、ＶＰ５−ＶＰ３が出力される。
【００８５】
オペアンプＡ３では、非反転入力端子に測定プローブＰ２において測定されたＶＰ２が入力され、反転入力端子に測定プローブＰ５において測定されたＶＰ５が入力される。オペアンプＡ３の出力端子からは、ＶＰ２−ＶＰ５が出力される。
【００８６】
オペアンプＡ４では、非反転入力端子に測定プローブＰ５において測定されたＶＰ５が入力され、反転入力端子に測定プローブＰ４において測定されたＶＰ４が入力される。オペアンプＡ４の出力端子からは、ＶＰ５−ＶＰ４が出力される。
【００８７】
そして、オペアンプＡ５では、非反転入力端子にオペアンプＡ１から出力されたＶＰ１−ＶＰ５が入力され、反転入力端子にオペアンプＡ２から出力されたＶＰ５−ＶＰ３が入力される。そして、オペアンプＡ５の出力端子からは、ＶＰ１−ＶＰ５−（ＶＰ５−ＶＰ３）が出力される。
【００８８】
また、オペアンプＡ６では、非反転入力端子にオペアンプＡ３から出力されたＶＰ２−ＶＰ５が入力され、反転入力端子にオペアンプＡ４から出力されたＶＰ５−ＶＰ４が入力される。そして、オペアンプＡ６の出力端子からは、ＶＰ２−ＶＰ５−（ＶＰ５−ＶＰ４）が出力される。
【００８９】
オペアンプＡ５から出力された電位差がＶＰ１−ＶＰ５−（ＶＰ５−ＶＰ３）であるために、抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰ１−ＶＰ５−（ＶＰ５−ＶＰ３）／Ｒ１となる。また、オペアンプＡ６から出力された電位差がＶＰ２−ＶＰ５−（ＶＰ５−ＶＰ４）であるために、抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰ２−ＶＰ５−（ＶＰ５−ＶＰ４）／Ｒ１となる。前記二つの電流は合流し、ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４−４ＶＰ５／Ｒ１となる。前記合流された電流は全て抵抗Ｒ２を流れる。したがって、抵抗Ｒ２によって発生する電圧降下は、Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４−４ＶＰ５）／Ｒ１となる。そのため、出力電位Ｖ０は、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４−４ＶＰ５）／Ｒ１となる。
【００９０】
そして、出力電位Ｖ０は、抵抗Ｒ３により出力信号幅が調整され、Ａ／Ｄ変換されてパーソナルコンピューター１０に送信される。そして、パーソナルコンピューター１０において、測定範囲内の発電量Iｚが計算され、画面上に表示される。発電量Iｚは、Iｚ＝ｋ×Ｖ０より、Iｚ＝ｋ{−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４−４ＶＰ５）／Ｒ１}となる。
【００９１】
なお、本実施形態では、測定プローブ１８のＰ５からのリード線３は分岐し、その一端が接地されているため、ＶＰ５は０となる。出力電位Ｖ０は、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４−４ＶＰ５）／Ｒ１であるので、ＶＰ５が０となることにより、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４）／Ｒ１となる。そのため、本実施形態では、上述した信号処理回路に限られず、図６に示すような簡略化された信号処理回路を用いることが可能となる。
【００９２】
簡略化された信号処理回路は、図６に示すように、オペアンプＡ８および抵抗Ｒ１〜Ｒ３により構成されている。測定プローブ１８のＰ１〜Ｐ４からのリード線３は、それぞれ抵抗Ｒ１の一端と接続され、抵抗Ｒ１の他端に接続された配線は合流している。オペアンプＡ８は、反復増幅器となっており、合流した前記各配線は、２方向に分かれ、一方がオペアンプＡ８の反転入力端子に接続され、もう一端が抵抗Ｒ２と接続されている。そして、オペアンプＡ８の非反転入力端子は、接地されている。抵抗Ｒ２と接続されている一方の前記配線は、オペアンプＡ８の出力端子からの配線と接続された後、抵抗Ｒ３と接続されている。抵抗Ｒ３の一端は接地されている。そして、抵抗Ｒ３からの配線は、パーソナルコンピューター１０へと接続されている。
【００９３】
上記構成の信号処理回路により、測定プローブ１８のＰ１からのリード線３に接続された抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰ１／Ｒ１となる。同様に、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４からのリード線３に接続された抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰ２／Ｒ１、ＶＰ３／Ｒ１、ＶＰ４／Ｒ１となる。そして、前記４つの電流は合流し、ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４／Ｒ１となる。前記合流された電流は全て抵抗Ｒ２を流れる。したがって、抵抗Ｒ２によって発生する電圧降下は、Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４）／Ｒ１となる。そのため、出力電位Ｖ０は、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ２＋ＶＰ３＋ＶＰ４）／Ｒ１となる。
【００９４】
このように、測定プローブ１８のＰ５により測定された電位を０とすることにより、信号処理回路は簡略化することができる。これにより、より簡易な回路により前記測定範囲内の発電量を算出することができる。
【００９５】
なお、本実施形態では、センサーユニット２により測定された電位からセンサー信号処理ボックス４により測定範囲内の発電量が算出された後、パーソナルコンピューター１０に表示される構成であるが、本発明はこれに限られない。つまり、図７に示すように、信号処理回路と表示装置が１つになった点電流測定器２１により、測定範囲内の発電量の算出と、表示とが行われてもよい。
【００９６】
また、図８に示すように、セル５の上面に複数のセンサーユニット２を設けることにより、燃料電池の全体の発電量を測定することができる。
【００９７】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置５１について説明する。図９は、第２実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置５１のセンサーユニット５２における測定プローブの位置関係を示す斜視図である。また、第１実施形態のセンサーユニット２における構成要素と、同等の機能を有する構成要素については同一の符号を付記している。
【００９８】
燃料電池局部発電性能測定装置５１は、センサーユニット５２と、リード線３と、センサー信号処理ボックス５４とから構成されている。燃料電池局部発電性能測定装置５１において、燃料電池局部発電性能測定装置１と異なっている部分について以下に説明する。
【００９９】
燃料電池局部発電性能測定装置５１では、図９に示すように、センサーユニット５２において、測定プローブ１８が９つ設けられている構成である。センサーユニット５２の上面方向から測定プローブ１８の配置を見た場合、Ｐ０がセンサーユニット５２の円の中心に配置され、Ｐ１とＰ１’、Ｐ２とＰ２’、Ｐ３とＰ３’、Ｐ４とＰ４’の４対がそれぞれＰ０に対して点対称に配置されている。そして、Ｐ０を交点とする直角に交わる直線上にＰ１とＰ１’、Ｐ２とＰ２’がそれぞれ設けられている。また、Ｐ０を交点とする直角に交わり、Ｐ１とＰ１’、Ｐ２とＰ２’が設けられている直線とは４５度離れた直線上に、Ｐ３とＰ３’、Ｐ４とＰ４’がそれぞれ設けられている。なお、Ｐ１、Ｐ１’、Ｐ２、Ｐ２’、Ｐ３、Ｐ３’、Ｐ４、Ｐ４’は、Ｐ０から距離ｄ離れて配置されている。
【０１００】
センサー信号処理ボックス５４の信号処理回路は、図１０に示すように、差動信号処理回路であり、オペアンプＡ１、Ａ１’、Ａ１”、・・・ＡＮ、ＡＮ’、ＡＮ”、ＡＮ＋１および抵抗Ｒ１〜Ｒ３により構成されている。図１０は、センサー信号処理ボックス５４内に設けられた信号処理回路の回路図である。なお、Ｐ２とＰ２’、Ｐ３とＰ３’およびＰ４とＰ４’の３対の測定プローブ１８からセンサー信号処理ボックス５４へ伝達された電位信号は、信号処理回路において同様に処理される。そのため、説明の簡略化のために、ＰＮとＰＮ’の対として記載する。
【０１０１】
信号処理回路におけるオペアンプＡ１、ＡＮは、第１実施形態の信号処理回路におけるオペアンプＡ１と同様の構成であり、オペアンプＡ１’、ＡＮ’は、信号処理回路におけるオペアンプＡ２と同様の構成である。また、オペアンプＡ１”、ＡＮ”、ＡＮ＋１は、信号処理回路におけるオペアンプＡ５、Ａ６、Ａ７とそれぞれ同様の構成である。そのため、具体的な説明は省略する。
【０１０２】
次に、本実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置５１を用いて燃料電池の負極側における発電量を測定するための燃料電池局部発電性能測定方法について説明する。
【０１０３】
まず、燃料電池のスイッチ８をオンにすることにより、上面集電板６から下面集電板７へと電流が流れる。そして、燃料電池のセル５の上面における任意の位置に対し、センサーユニット２を絶縁リング１７の面を向けて設置する。これにより、センサーユニット５２に設けられた９つの測定プローブ１８がセル５の上面に点接触し、それぞれの接触位置における電位を測定する。センサーユニット２に設けられた９つの測定プローブ１８（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ１’、ＰＮ、ＰＮ’）で測定された電位は、それぞれＶＰ１、ＶＰ１’、ＶＰＮ、ＶＰＮ’と記載する。各測定プローブ１８により測定された電位は、各測定プローブ１８の出力端子に接続されたリード線３を介して、センサー信号処理ボックス５４に設けられた信号処理回路のオペアンプＡ１〜ＡＮ’の反転入力端子または非反転入力端子に出力される。
【０１０４】
ここで、各測定プローブ１８から出力された電位信号が、センサー信号処理ボックス５４に設けられた信号処理回路により行われる処理について述べる。
【０１０５】
オペアンプＡ１では、非反転入力端子に測定プローブＰ１において測定されたＶＰ１が入力され、反転入力端子に測定プローブＰ０において測定されたＶＰ０が入力される。そして、オペアンプＡ１の出力端子からは、ＶＰ１−ＶＰ０が出力される。
【０１０６】
オペアンプＡ１’では、非反転入力端子に測定プローブＰ０において測定されたＶＰ０が入力され、反転入力端子に測定プローブＰ１’において測定されたＶＰ１’が入力される。そして、オペアンプＡ２の出力端子からは、ＶＰ０−ＶＰ１’が出力される。
【０１０７】
オペアンプＡ１”では、非反転入力端子にオペアンプＡ１の出力端子から出力されたＶＰ１−ＶＰ０が入力され、反転入力端子にオペアンプＡ１’の出力端子から出力されたＶＰ０−ＶＰ１’が入力される。そして、オペアンプＡ１”の出力端子からは、ＶＰ１−ＶＰ０−（ＶＰ０−ＶＰ１’）が出力される。
【０１０８】
オペアンプＡＮでは、非反転入力端子に測定プローブＰＮにおいて測定されたＶＰＮが入力され、反転入力端子に測定プローブＰ０において測定されたＶＰ０が入力される。そして、オペアンプＡＮの出力端子からは、ＶＰＮ−ＶＰ０が出力される。
【０１０９】
オペアンプＡＮ’では、非反転入力端子に測定プローブＰ０において測定されたＶＰ０が入力され、反転入力端子に測定プローブＰＮ’において測定されたＶＰＮ’が入力される。そして、オペアンプＡＮ’の出力端子からは、ＶＰ０−ＶＰＮ’が出力される。
【０１１０】
オペアンプＡＮ”では、非反転入力端子にオペアンプＡＮの出力端子から出力されたＶＰＮ−ＶＰ０が入力され、反転入力端子にオペアンプＡＮ’の出力端子から出力されたＶＰ０−ＶＰＮ’が入力される。そして、オペアンプＡＮ”の出力端子からは、ＶＰＮ−ＶＰ０−（ＶＰ０−ＶＰＮ’）が出力される。
【０１１１】
オペアンプＡ１”から電位差ＶＰ１−ＶＰ０−（ＶＰ０−ＶＰ１’）が出力されるために、オペアンプＡ１”の出力端子に接続された抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰ１−ＶＰ０−（ＶＰ０−ＶＰ１’）／Ｒ１となる。また、オペアンプＡＮ”から電位差ＶＰＮ−ＶＰ０−（ＶＰ０−ＶＰＮ’）が出力されるために、オペアンプＡＮ”の出力端子に接続された抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰＮ−ＶＰ０−（ＶＰ０−ＶＰＮ’）／Ｒ１となる。前記複数の電流は合流し、ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’−ＮＶＰ０／Ｒ１となる。前記合流された電流は全て抵抗Ｒ２を流れる。したがって、抵抗Ｒ２によって発生する電圧降下は、Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’−ＮＶＰ０）／Ｒ１となる。そのため、出力電位Ｖ０は、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’−ＮＶＰ０）／Ｒ１となる。
【０１１２】
そして、出力電位Ｖ０は、抵抗Ｒ３により出力信号幅が調整され、Ａ／Ｄ変換されてパーソナルコンピューター１０に送信される。そして、パーソナルコンピューター１０において、測定範囲内の発電量Iｚが計算され、画面上に表示される。発電量Iｚは、Iｚ＝ｋ×Ｖ０より、Iｚ＝ｋ{−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’−ＮＶＰ０）／Ｒ１}となる。
【０１１３】
このように、本実施形態の信号処理回路では、センサーユニット５２に設けられる測定プローブ１８の数が増えても処理することができる。その結果、センサーユニット５２の測定範囲内において、より精度が高い発電量の測定を行うことができる。
【０１１４】
なお、信号処理回路では、Ｐ０と接続されたリード線３が分岐し、その一端が接地している。そのため、Ｐ１、Ｐ１’、Ｐ２、Ｐ２’、Ｐ３、Ｐ３’、Ｐ４、Ｐ４’のＰ０に対する電位の相対値を計算することができる。その結果、外部からのノイズの影響を抑制することができる。
【０１１５】
また、本実施形態では、測定プローブ１８のＰ０からのリード線３は分岐し、その一端が接地されているため、ＶＰ０は０となる。出力電位Ｖ０は、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’−ＮＶＰ０）／Ｒ１であるので、ＶＰ０は０となることにより、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’）／Ｒ１となる。そのため、本実施形態では、上述した信号処理回路に限られず、図１１に示すような簡略化された信号処理回路を用いることが可能となる。
【０１１６】
簡略化された信号処理回路は、第１実施形態の信号処理回路と同様の構成であり、測定プローブ１８のＰ１〜ＰＮ’からのリード線３は、それぞれ抵抗Ｒ１の一端と接続され、抵抗Ｒ１の他端に接続された配線は合流している。オペアンプＡＮ＋２は、反復増幅器となっており、合流した前記各配線は、２方向に分かれ、一方がオペアンプＡＮ＋２の反転入力端子に接続され、もう一端が抵抗Ｒ２と接続されている。そして、オペアンプＡＮ＋２の非反転入力端子は、接地されている。抵抗Ｒ２と接続されている一方の前記配線は、オペアンプＡＮ＋２の出力端子からの配線と接続された後、抵抗Ｒ３と接続されている。抵抗Ｒ３の一端は接地されている。そして、抵抗Ｒ３からの配線は、パーソナルコンピューター１０へと接続されている。
【０１１７】
上記構成により、測定プローブ１８のＰ１からのリード線３に接続された抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰ１／Ｒ１となる。同様に、Ｐ１’、ＰＮ、ＰＮ’からのリード線３に接続された抵抗Ｒ１から流れる電流は、ＶＰ１’／Ｒ１、ＶＰＮ／Ｒ１、ＶＰＮ’／Ｒ１となる。そして、前記複数の電流は合流し、ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’／Ｒ１となる。前記合流された電流は全て抵抗Ｒ２を流れる。したがって、抵抗Ｒ２によって発生する電圧降下は、Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’）／Ｒ１となる。そのため、出力電位Ｖ０は、−Ｒ２（ＶＰ１＋ＶＰ１’＋・・・ＶＰＮ＋ＶＰＮ’）／Ｒ１となる。
【０１１８】
このように、測定プローブ１８のＰ０により測定された電位を０とすることにより、信号処理回路は簡略化することができる。これにより、より簡易な回路により前記測定範囲内の発電量を算出することができる。
【０１１９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明は、燃料電池の負極側の電極表面における局部的な発電量の測定に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明における燃料電池局部発電性能測定装置の実施の一形態を示すものであり、全体概要を示す斜視図である。
【図２】セルを分解した構成を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は第１実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置に係るセンサーユニットの概略構成を示す断面図であり、（ｂ）はセンサーユニットの測定プローブの配置を示した平面図である。
【図４】センサー信号処理ボックス内に設けられた信号処理回路の一例を示す回路図である。
【図５】燃料電池の負極側の電極表面の電位から発電量を算出するための原理を説明する説明図である。
【図６】センサー信号処理ボックス内に設けられた信号処理回路の他の一例を示す回路図である。
【図７】本発明の燃料電池局部発電性能測定装置の実施の他の一形態を示すものであり、全体概要を示す斜視図である。
【図８】本発明の燃料電池局部発電性能測定装置の実施のさらに他の一形態を示すものであり、全体概要を示す斜視図である。
【図９】第２実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置に係るセンサーユニットの測定プローブの配置における他の一例を示した平面図である。
【図１０】第２実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置に係るセンサー信号処理ボックス内に設けられた信号処理回路の一例を示す回路図である。
【図１１】第２実施形態の燃料電池局部発電性能測定装置に係るセンサー信号処理ボックス内に設けられた信号処理回路の他の一例を示す回路図である。
【図１２】従来の電極反応分布測定システムの電極−電解質構造体の構成を示す断面図である。
【図１３】従来の燃料電池電流分布測定装置の燃料電池およびプローブピンを示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１    燃料電池局部発電性能測定装置
２    センサーユニット（電位測定手段）
３    リード線
４    センサー信号処理ボックス（信号処理手段）
１６  シールドキャップ
１７  絶縁リング
１８  測定プローブ（中心測定部材、周辺測定部材）
１９  プローブ用絶縁体（絶縁性部材）
２０  絶縁板
Ａ１〜Ａ７    オペアンプ
Ｐ０、Ｐ５    中心測定部材
Ｐ１〜Ｐ４’  周辺測定部材
Ｒ１〜Ｒ３    抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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